(57)【要約】      （修正有）【課題】ブリッジダイスなどの中空ダイスを用い、優れた機械的性質を備えた中空軽金属部材（製品）を常に安定して製造しうると同時に要求される強度のレベルなどにマッチした製品を低いコストで効率的に造り込むことが可能な新たな押出し加工技術の実現と確立を課題とする。【解決手段】軽金属素材を中空押出しダイスを用いて分流及び合流・溶着を行った後に、ダイス穴を通して所望の断面形状に押出し加工する際、その合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を１．８以上に維持して当該押出し加工を行うようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽金属素材を中空押出しダイスを用いて押出し加工する方法であって、前記軽金属素材を一旦分流させた後に合流させて相互に溶着する工程と、その合流後の軽金属素材を前記中空押出しダイスのダイス穴を通して所望の断面形状に押出し加工する工程とを含み、この押出し加工する工程では、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を１．８以上に維持するようにして当該押出し加工を行うことを特徴とする中空軽金属部材の押出し加工方法。
【請求項２】
請求の範囲第１項記載の中空軽金属部材の押出し加工方法において、前記前記中空軽金属部材を構成する金属がアルミニウム合金であることを特徴とする中空軽金属部材の押出し加工方法。
【請求項３】
中空押出しダイスを用い、軽金属素材を分流及び合流・溶着させた後に所望の断面形状に押出し加工する中空軽金属部材の押出し加工方法であって、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量と押出し加工後の製品における溶着部の溶着強度との相関関係を求め、この相関関係に基づいて前記溶着強度の目標値に対応する歪み量を目標歪み量として設定し、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を前記目標歪み量以上に維持するようにして当該軽金属素材の押出し加工を行うことを特徴とする中空軽金属部材の押出し加工方法。
【請求項４】
軽金属素材を分流及び合流・溶着を行った後に、所望の断面形状に押出し加工する中空軽金属部材の押出し加工に用いられる中空押出しダイスにおいて、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を１．８以上に維持して押出しを行うことができるように設計されてなることを特徴とする中空押出しダイス。
【請求項５】
請求の範囲第４項記載の中空押出しダイスにおいて、当該ダイスはブリッジダイス、ポートホールダイス、またはスパイダーダイスであることを特徴とする中空押出しダイス。
【請求項６】
軽金属素材を分流及び合流・溶着を行った後に所望の断面形状に押出し加工することによって得られる中空軽金属部材であって、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を１．８以上に維持して押出しを行うことによって得られたものであり、その溶着部の強度がベア部の強度の９０％以上であることを特徴とする中空軽金属押出し部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム等の軽金属からなる中空部材（製品）を押出し加工によって製造する技術に関するものであり、特に、中実の軽金属素材から各種の断面形状を有する中空の部材を得る押出し加工技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミニウム合金に代表される軽金属からなる中空部材を熱間押出し加工を利用して製造する方法としては、第５図に示すようなものが知られている。この方法は、中実のビレットとして成形された軽金属素材１を加熱状態で押出し装置のコンテナ２内に導入し、前記軽金属素材１の後方から（図の矢印Ａの方向から）ステム３により圧力をかけ、前記コンテナ２と連なるダイスホルダ９内に設けられた中空カップルダイス４を通して所定断面形状を有するダイス穴から前方に（図の矢印Ｂの方向に）押出すことにより、製品である中空部材５（本図例では矩形管）を得るものである。
【０００３】
この方法において、前記中空カップルダイス４としては、ブリッジダイス、ポートホールダイス、スパイダーダイス等のホローダイスが用いられる。第６図は、前記ホローダイスの例としてポートホールダイスを示したものである。
【０００４】
この中空カップルダイス４は、ビレット側に位置する雄ダイス４ａと中空部材５側に位置する雌ダイス４ｂとを備え、両ダイス４ａ，４ｂが一体的に嵌合された状態で使用される。
【０００５】
前記雄ダイス４ａは、その円周部に穿設された複数のエントリーポート６（図では４個のタイプであるが、１個は省略して図示）を有し、その中央部からは押出し方向下流側（雌ダイス４ｂ側）に向けて雄ベアリング７ａ（マンドレル部）が突出している。前記雌ダイス４ｂには、前記雄ダイス４ａの各エントリーポート６に対応する略十字状の溶着室８が凹設されており、この溶着室８の中央位置に雌ダイス４ｂを軸方向に貫通する孔である雌ベアリング７ｂが設けられている。この雌ベアリング７ｂは、前記雄ダイス４ａの雄ベアリング７ａが特定形状（図の例では薄肉角筒形状）の隙間をおいて嵌入することが可能な形状とされており、この状態で前記隙間の形状に対応した断面を有する中空部材５を押出し成形することが可能となっている。
【０００６】
この中空カップルダイス４を用いた押出し加工のメカニズムを前記第６図に基づいて簡単に説明する。まず、矢印Ａの方向から押された軽金属素材１は、雌ダイス４ｂの４つのエントリーポート６に押し込まれて各エントリーポート６に分流する。すなわち、前記軽金属素材１は４つの部分１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分けられる。各分流部分１ａ〜１ｄは、前記エントリーポート６の通過後に次の雌ダイス４ｂの溶着室８で合流し、ここで互いに溶着されて再び一体となる。さらに、一体化された軽金属素材１は、矩形状断面を有する雄ベアリング７ａの外周面と、この雄ベアリング７ａが隙間を持って嵌入される矩形状断面を有する雌ベアリング７ｂの内周面との隙間から矢印Ｂ方向に押出され、これにより、前記隙間の形状に対応した矩形状の中空断面を有する中空部材（矩形管）５が成形される。従って、成形された中空部材５はその４本の稜線の部分に溶着部５ａを有することになる。
【０００７】
すなわち、この方法により得られる製品である中空部材５は、通常のソリッドダイスを用いる方法にはない「分流」及び「合流・溶着」過程を経て押出されるため、当該中空部材５には前記中空カップルダイス４のエントリーポート６の数と位置に対応した溶着部５ａが必ず存在することになる。そして、この溶着部とベア部（非溶着部）との冶金的な密着性が、中空部材の引張強度、耐力、伸びといった機械的特性、とりわけ強度、を大きく支配することになる。この溶着部の密着性が不足すると、その後の２次加工の際や製品の使用時における割れや変形を招き、その品質を十分に保証できないおそれも出てくるのである。
【０００８】
また、中空ダイスの中でも特にブリッジダイスを用いる押出し加工においては、そのダイス寿命が他の中空ダイスに比べて長い利点がある反面、溶着部の強度を確保する操業が困難であるという欠点がある。例えばアルミニウム合金の場合、ＪＩＳ３０００系やＪＩＳ６０００系のように比較的高い強度が要求されない一部のものはさほど問題がないが、ＪＩＳ７０００系など高強度が要求される製品の場合には、その冶金的特性のために溶着部において十分な強度を確保することが非常に困難である。さらにＪＩＳ５０００系に至っては、中空ダイスを用いた押出しは本業界では不可能とさえいわれ、その開発すら断念されている状況である。
【０００９】
また、かかる従来の状況に相俟って、あらかじめ溶着部の強度を評価する適切な手法もなく、現実には拡管試験などの製造後の検査によってはじめて確認することが行われており、このため強度不足の製品もしばしば発生し、製品歩留が低いという問題を抱えている。このような強度不足を発見した場合は、経験的な知識や試行錯誤的にダイス形状や押出し条件の変更によって対処しているものの、かかる対策では再現性や汎用性に欠き、経験のない新たな製品形状や要求特性に十分且つ迅速に対応できないと共にダイスの製作が無駄になり、極めて非効率と言わざるを得なかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明はこうした従来の状況に鑑み、ブリッジダイスなどの中空ダイスを用いた押出し加工における前記溶着部の強度における基本的な問題を一挙に解消し、優れた機械的性質を備えた中空軽金属部材（製品）を安定して製造しうると同時に、要求される強度のレベルなどにマッチした製品を低いコストで効率的に造り込むことが可能な新たな押出し加工技術の実現と確立を目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明は次のような構成を採用した。
【００１２】
すなわち本発明は、軽金属素材を中空押出しダイスを用いて押出し加工する方法であって、前記軽金属素材を一旦分流させ、その後に合流させて相互に溶着する工程と、その合流後の軽金属素材を前記中空押出しダイスのダイス穴を通して所望の断面形状に押出し加工する工程とを含み、この押出し加工する工程では、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を１．８以上に維持するようにして当該押出し加工を行うものである。
【００１３】
なお、ここでいう「歪み量」とは、溶着室断面からダイス出口部製品断面に至るまでの間に軽金属素材に生ずる相当歪み分布量の平均値を意味する。
【００１４】
このような歪み量を１．８以上に維持することにより、製品における溶着部の引張強度をベア部の引張強度にほぼ近い強度まで高めることが可能になる。
【００１５】
この方法は、種々の軽金属素材に適用することが可能であるが、前記中空軽金属部材を構成する金属がアルミニウム合金である場合に特に有効である。
【００１６】
また本発明は、中空押出しダイスを用い、軽金属素材を分流及び合流・溶着させた後に所望の断面形状に押出し加工する中空軽金属部材の押出し加工方法であって、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量と押出し加工後の製品における溶着部の溶着強度との相関関係を求め、この相関関係に基づいて前記溶着強度の目標値に対応する歪み量を目標歪み量として設定し、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を前記目標歪み量以上に維持するようにして当該軽金属素材の押出し加工を行うものである。
【００１７】
また本発明は、軽金属素材を分流及び合流・溶着を行った後に、所望の断面形状に押出し加工する中空軽金属部材の押出し加工に用いられる中空押出しダイスにおいて、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を１．８以上に維持して押出しを行うことができるように設計されてなるものである。
【００１８】
この中空押出しダイスとしては、ブリッジダイス、ポートホールダイス、またはスパイダーダイスが好適である。
【００１９】
また本発明は、軽金属素材を分流及び合流・溶着を行った後に所望の断面形状に押出し加工することによって得られる中空軽金属部材であって、前記合流・溶着後の軽金属素材に付与される歪み量を１．８以上に維持して押出しを行うことによって得られたものであり、その溶着部の強度がベア部の強度の９０％以上であるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明についてその原理・作用並びにその好ましい実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
本発明者等は前記課題解決を目指して、溶着部の強度を左右する因子に着目して実験・検討を続けたところ、これを定量的に支配しているのは一般的に想定されている製品温度などではなく、中空ダイス内の特定部位において軽金属素材が受ける歪み量であることを究明するに至った。さらに、研究を進めた結果、この歪み量がある一定の閾値以上になると、溶着部の強度がベア部（溶着に関与していない部分）の強度に近い強度まで改善されることも実験により突き止めることができた。そして、こうした事実をもとに歪み量と中空ダイスの形状、構造との関係を定量化して、この結果をダイスの設計に反映させることにより、溶着強度の高い優れた品質の中空部材を得ることができることは勿論のこと、様々な要求強度レベルに見合った中空部材を自在に製造できることが判明した。
【００２２】
この歪み量の溶着強度への影響を明確にするに当って、本発明者等は先ず、コンテナ内に加圧供給された素材ビレットが中空ダイスを通して製品として押出される過程でどのような変形を受けるのか、その断面積の変化を考えてみることにした。
【００２３】
第１図（ａ）（ｂ）は、ブリッジタイプのダイス４の例を示したものであり、第２図（ａ）〜（ｄ）は前記ダイスの各部位におけるメタル（ビレットを形成する成形材料）の存在領域すなわち断面形状をモデル的に示したものである。なお、これらの図ではダイス４を構成する周囲の外壁部や他の部材などは便宜上省略している。
【００２４】
前記ダイス４は、互いに嵌合される雄ダイス４ａ及び雌ダイス４ｂを備えている。雄ダイス４ａは、十字状のブリッジ本体４１と、このブリッジ本体４１の４つの端部から下方に突出する脚部４２ｂとを一体に有し、前記ブリッジ本体４１の中央部から下方に雄ベアリング７ａが突出している。雌ダイス４ｂは、その上面に前記雄ダイス４ａの各脚部４２が嵌入される凹部４３を有し、この凹部４３の底面中央の位置に当該雌ダイス４ａを軸方向に貫通する孔である雌ベアリング７ｂが設けられている。両ベアリング７ａ，７ｂの相対関係は前記図５及び図６に示したものと同様である。
【００２５】
このダイス４において、前記第５図に示した装置と同様にビレットとして成形された軽金属素材１が矢印Ａ方向からコンテナ内に入り、最終的にＢ方向に製品となって押出されるまでの間に、当該軽金属素材１の断面形状は著しく変化することになるが、第２図は、その断面形状の推移を第１図（ａ）に示す中心角４５°の扇形領域Ｓに着目して示したものである。
【００２６】
具体的に、第２図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそれぞれ第１図（ｂ）に示す（１）−（１）線、（２）−（２）線、（３）−（３）線、（４）−（４）線の高さ位置における軽金属素材１の断面形状を示している。なお、軽金属素材１には、前記ダイス４内の中央側で流動する部分と、その外側で取り残されて流動せずに滞留する部分とが生ずることになるが、第２図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）では、軽金属素材１の流動部分１ａが細かい網目部分として、非流動部分１ｂが粗い網目部分としてそれぞれ示されている。
【００２７】
先ず、前記（１）−（１）線の位置、すなわち、ダイス４よりも上流側のコンテナ内の位置では、軽金属素材１の流動部分１ａが全断面領域を占めるが、（２）−（２）線の位置、すなわち、ブリッジ本体４１が存在する位置であって脚部４２よりも上側の位置では、軽金属素材１が当該ブリッジ本体４１の存在によって第２図（ｂ）に示すように４箇所に分流し、その分断面積はブリッジ本体４１間の開口面積に相当して減少することになる。
【００２８】
その後、分流部分はブリッジ本体４１を過ぎて脚部４２が存する（３）−（３）線の位置に達すると前記ブリッジ本体４１の下方でかつ各脚部４２の内側の位置に形成された溶着室８内で再び合流し、互いに溶着する。従って、ここでのメタル（成形材料）の断面形状は第２図（ｃ）に示すようになる。
【００２９】
そして、両ベアリング７ａ，７ｂが存する（４）−（４）線の位置では、第２図（ｄ）に示すようにメタル断面積は両ベアリング７ａ，７ｂの間に形成される隙間の面積に制約され、第２図（ｃ）に示される断面積からは著しく減少することになる。
【００３０】
本発明者等は、前記のような断面形状の推移を検討した結果、前記各部位のうち、第２図（ｃ）に示されるような合流後の溶着室８の部位から同図（ｄ）に示すような成形後の部位に至るまでの間にメタルに付与される歪み量が溶着強度に大きな影響を与えているのではないかとのとの知見に至った。なお、ここで言う歪み量とは、上述のように、溶着室断面からダイス出口部製品断面に至るまでの相当歪分布量の平均値を意味するものである。
【００３１】
この歪み量は、上記のことから溶着室８における素材流動部分１ａの断面積（Ａｅ）と製品の断面積（Ａｔｐ）に大きく支配されるととともに、第３図（ａ）（ｂ）に示す溶着室高さ寸法ＨMやダイス厚みＨDによっても変化する。なお、第３図（ａ）はブリッジ本体４１を有するブリッジダイスまたはスパイダーダイスの場合の寸法、同図（ｂ）はエントリーポート６を有するポートホールダイスの場合の寸法を示しており、これらの図においてＸはエントリーポート面の位置、Ｙは溶着室上面（合流部上面）の位置、Ｚはダイス開口面の位置をそれぞれ表している。
【００３２】
本発明者等は、このようなダイス設計因子と前記歪み量との関係を定量化すれば、これに基づいたダイスの設計を行うことができ、溶着強度の問題を根本的に解決し得るとの明確な指針を得た。その設計因子と歪み量との具体的な定量化（定式化、関数化）手法についてはここで詳細に触れないが、ダイス形状が決まれば有限要素法や差分法など周知の数値解析手法を利用して歪み量を算出することが可能であるから、当該ダイス設計因子と歪み量との相関関係は比較的容易に求めることができるものである。
【００３３】
本発明者等は、こうした溶着強度と歪み量並びにその支配因子との関係に対する検討、考察を踏まえ、これが実際の技術において効果的に適用できるか否かを確認すべく、７０００系などのアルミニウム合金を供試材として各種の異なった形状を有する中空ダイスを使用して押出し加工実験を行い、そのときの歪み量と得られ中空部材の引っ張り強度を測定した。下記の表１はその実験条件を、また表２はその実験結果を示すものである。
【００３４】
なお、本実験の押出し加工は、押出し温度が４５０〜５５０℃、押し出し力が１５００〜３５００ｔ、押し出し比が１０〜１４０の範囲に収まるようなプロセス条件で行った。また、表１の「ＥＰ」はエントリーポートの略である。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２の実験結果から、歪み量を１.８以上としたものは、それ未満とした供試材と比べ、いずれも引張強度比が９０％以上となっており、溶着部の強度がベア部のそれとあまり差がないことがわかる。従って、歪み量の閾値を１.８として同歪み量がこの値以上に維持して押出し加工を行うことにより、溶着部の強度が高い、優れた中空部材を安定して製造できるものである。
【００３８】
さらに、第４図は、これらの結果に、別に追加実験を行った結果も加えてN数を増やして、歪み量と溶着強度と関係を同様に整理したグラフである。図において、溶着部とベア部の引張強度比が１００％のところに位置したX軸と平行な実線はベア部（非溶着部）の引張強度を示し、点線の曲線は溶着部の引張強度をそれぞれ表している。
【００３９】
この図によって分かるように、歪み量と溶着強度には明確な正の相関がみられ、やはり歪み量が１.８以上で９０％以上の強度比となっており、溶着部においても優れた強度が得られていることが判明する。しかも、特に歪み量を２.４以上の範囲とすれば強度比で９５％以上の非常に高い強度の溶着部が得られ、ベア材の強度とほとんど遜色のない一層優れた品質の中空部材が提供されことがわかる。すなわち、これらの実験結果によれば、前記引張強度比が９０％以上の中空軽金属部材を得るためには前記歪み量を１.８以上に維持して押出し加工を行うことが必須であり、特に前記歪み量を２.４以上に維持して押出し加工をすれば、より強度特性に優れた中空軽金属部材が得られることになる。
【００４０】
このように、歪み量と溶着強度との相関関係を相関関係を求めておき、その相関関係に基づいて目標となる溶着強度に対応する歪み量を決定し、この歪み量を目標歪み量として、前記合流・溶着後の段階から押出し成形後の段階に至るまでの間に軽金属素材に与えられる歪み量を前記目標歪み量以上に維持するように中空押出し加工用ダイスを設計し、同ダイスを用いて当該押出し成形を行うことにより、十分な溶着強度をもつ中空軽金属押出し部材を安定して得ることが可能になる。
【００４１】
なお、上述した実施例では、アルミニウム合金について本発明の優れた効果を実証したが、本発明は他の軽金属（合金を含む）、例えば錫、アンチモン、チタン、マグネシウム、ベリリウムなどの押出し加工に適用しても同様の効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１図（ａ）は、中空押出し成形に用いられる中空ダイスの例を示す斜視図、（ｂ）は同ダイスの断面正面図である。
【図２】前記中空ダイスにおける各部位での成形材料の断面積変化の様子を示した断面平面図である。
【図３】第３図（ａ）（ｂ）は各種中空ダイスの寸法を説明するための一部断面正面図である。
【図４】中空ダイスを用いた押出し加工実験結果に基づく歪み量と溶着強度と関係を示したグラフである。
【図５】中空押出し装置の概要を示した断面説明図である。
【図６】前記中空押出し装置に用いられる中空ダイスの一例を示す一部断面斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１：ビレット
２：コンテナ      
３：ステム        
４：中空（カップル）ダイス      ４ａ：雄ダイス      ４ｂ：雌ダイス        
５：中空材          ６：エントリーボード
７ａ：雄ベアリング    ７ｂ：雌ベアリング        ８：溶着室
４１：ブリッジ本体    ＨＭ：溶着室の高さ      ＨＤ：ダイス厚み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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